焼結用鉄基混合粉末及び鉄基焼結合金
【課題】金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる焼結用鉄基混合粉末およびこれを用いた鉄基焼結合金を提供する。
【解決手段】焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、以下の式に示す粒子の凹凸度において、粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）、前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にある。
【解決手段】焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、以下の式に示す粒子の凹凸度において、粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）、前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末とを少なくとも含む焼結用鉄基混合粉末において、特に、焼結用鉄基混合粉末から焼結した鉄基焼結合金の切削性に優れた焼結用鉄基混合粉末に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、混合した焼結用鉄基混合粉末が用いられることがある。この焼結用鉄基混合粉末を金型に充填したのち、加圧成形して成形体を製造し、該成形体を焼結することにより、鉄基焼結合金を得ることができる。焼結時には、黒鉛粉末の炭素は、焼結時に鉄基粉末に固溶するので、鉄基粉末は硬質化する。そして、この硬質化した鉄基粉末の鉄を基地として、硬質粉末が鉄基焼結合金に分散することになる。
【０００３】
このように焼結処理が施された鉄基焼結合金は、必要に応じ切削加工されて、製品とされる。しかしながら、このような鉄基焼結合金は、その内部は多孔質状であり、溶解により得られる金属合金に比べて、切削抵抗が高い。そのため、従来から、快削成分として、ＢａＳ，ＣａＳ，ＭｎＳなどのＳを含む粉末をさらに混合粉末に添加してきた。
【０００４】
しかしながら、Ｓを含む粉末を用いた場合、焼結時において、Ｈ２Ｓ，ＳＯＸなどのガスが発生するおそれがあり、Ｓの歩留まりが低下してしまい、充分な切削性改善の効果が得られないことがある。
【０００５】
そこで、このような点を鑑みて、例えば、Ｓを含む粉末の代わりに、フッ化アルカリ土類金属粉末などの金属フッ化物粉末を混合した焼結用鉄基混合粉末が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この焼結用鉄基混合粉末を用いて焼結された鉄基焼結合金は、金属フッ化物粉末が鉄基粉末の凹部に固着することにより、その切削性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５５３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、焼結用鉄基混合粉末の他の粉末と混合したときに、金属フッ化物粉末の粒子が凝集してしまうことがあった。これにより、金属フッ化物粉末の粒子が凝集した鉄基焼結合金を切削した場合、この金属フッ化物粉末が充分に快削成分として作用せず、刃具の切削抵抗が上昇し、刃具の寿命低下を招くおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる焼結用鉄基混合粉末およびこれを用いた鉄基焼結合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、焼結用鉄基混合粉末に金属フッ化物の粉末を混合する際に、金属フッ化物の粒子を、焼結用鉄基混合粉末内において、分散させることが好ましいと考えた。そして、金属フッ化物の粒子を好適に分散させるためには、この粒子の形状が重要であり、粒子の形状が球状に近づけば近づくほど、その粒子は凝集し易く、これとは逆に、その形状が球状から異なる形状（凹凸を有した形状になる）になればなるほど、その粒子は、焼結用鉄基混合粉末内において分散し易いとの新たな知見を得た。
【００１０】
本発明は、発明者らによるこの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、以下の式に示す粒子の凹凸度において、
粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）
前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあるので、金属フッ化物粉末の粒子の形状は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い（からみ易い）形状となる。これにより、焼結用鉄基混合粉末において、混合される金属フッ化物粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）。そして、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となる金属フッ化物が鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【００１２】
すなわち、金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２未満の場合には、金属フッ化物粉末の粒子は混合時に凝集し易く、金属フッ化物粉末の粒子の粒度が、５を超える粒子は製造し難い。
【００１３】
ここで、本発明にいう「粒子の凹凸度」とは、粒子の凹凸形状を示す指標であり、粒子が球体（粒子の断面が真円）に近いほど、粒子の凹凸度は、１に近づくことを意味するものである。また、「粒子の断面の周囲長さ」とは、粒子（フッ化アルカリ土類粉末の粒子）のある断面における粒子の断面の周囲の長さであり、「断面における断面積」とは、前述した周囲の長さで測定された断面における断面積のことをいう。また、本発明にいう「鉄基」とは、鉄を主材（基地）とした材料のことをいう。
【００１４】
また、金属フッ化物粉末としては、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化バリウム、フッ化鉛、フッ化セレン、フッ化テルルなどを挙げることができ、好ましくは、金属フッ化物粉末が、フッ化アルカリ土類金属粉末であり、さらにより好ましくは、フッ化アルカリ土類金属粉末は、フッ化ストロンチウム粉末である。
【００１５】
本発明によれば、フッ化アルカリ土類金属粉末は、焼結体を脆化させることなく、鉄基地に固溶及びガス化により消滅することなく分散される。さらに、これらのうちでも、フッ化ストロンチウム粉末は、他の金属フッ化物粉末（フッ化バリウム、フッ化鉛など）と比較し密度が４．２４と低く、同添加量（同じ質量％）のフッ化物を添加した場合、他のものと比べて最も体積が大きくなると考えられる。そのため、鉄基粉末及び硬質粉末などの他粉末への接触するフッ化ストロンチウムの量が増え、これらの粉末とのからみが良好になると考えられる。これにより、得られた鉄基焼結合金の切削性は、他の金属フッ化物を用いたものよりも、向上すると考えられる。
【００１６】
また、より好ましくは、前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、前記焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることがより好ましい。本発明によれば、フッ化アルカリ土類金属粉末を添加することにより、切削抵抗を低減し、刃具寿命を向上させ、さらには焼結合金の欠損を抑制することができる。すなわち、フッ化アルカリ土類金属粉末の含有量が、０．５質量％未満の場合には、得られた鉄基焼結合金の切削性を向上させることができないことがあり、３質量％を超えた場合には、フッ化アルカリ金属粉末が過多となり、焼結合金が欠損し易くなる。
【００１７】
また、前記含有量において、前記フッ化アルカリ土類金属粉末の粒子の平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることがより好ましい。このような範囲とすることにより、切削抵抗を低減し刃具寿命をより向上させ、焼結合金の欠損をさらに抑制することができる。すなわち、フッ化アルカリ粉末（の粒子）の平均粒径が２０μｍを超えた場合には、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなる。これにより切削抵抗が上昇し、刃具寿命が低下するおそれがあり、得られる焼結合金が欠損し易くなる。
【００１８】
前記焼結用鉄基混合粉末には、潤滑剤または結合材等をさらに添加してもよいが、より好ましくは、結合材として、シリコーン樹脂がさらに添加されている。本発明によれば、シリコーン樹脂を添加することにより、混合粉とフッ化アルカリ土類金属の結合力を向上させることができる。また、シリコーン樹脂は、熱硬化性樹脂であるので、焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結する際に、シリコーン樹脂は軟化することなく、上述した結合力を保持することができる。また、温間金型潤滑法などにより、成形体を製造した場合であっても、上述した結合力を保持することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１及び比較例１に係るフッ化物粉末（フッ化ストロンチウム粉末の粒子）の投影図と、粒子の凹凸度を示した図。
【図２】実施例１及び比較例１に係るフッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度と、刃具摩耗量との関係を示した図。
【図３】実施例２に係る試験片の金属組織の拡大写真図。
【図４】実施例３及び比較例２に係る試験結果を示す図であり、（ａ）は刃具摩耗量を示し、（ｂ）は切削抵抗を示し、（ｃ）はラトラ値を示した図。
【図５】実施例４及び比較例２に係る試験結果を示す図であり、（ａ）は刃具摩耗量を示し、（ｂ）は切削抵抗を示し、（ｃ）はラトラ値を示した図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を以下に説明する。本実施形態に係る混合粉末は、内燃機関（エンジン）のバルブシートなどを焼結により製造するための焼結用鉄基混合粉末であり、この焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、成形体をさらに焼結することにより、鉄基焼結合金を得ることができる。
【００２２】
本実施形態に係る焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる混合粉末である。
【００２３】
鉄基粉末は、鉄元素を主成分とした粒子からなる粉末であり、アトマイズ鉄粉末、還元粉等の純鉄粉末、合金元素を予め合金した鋼粉末（予合金鋼粉末）、あるいは合金元素が部分合金化された鋼粉末（部分合金化鋼粉末）などである。また、これらの粉末を混合した粉末であってもよい。鉄基粉末は、鉄基焼結合金の基地を構成するものである。また、鉄基粉末は、平均粒径８０〜１００μｍで、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、４０〜９０質量％含有することがより好ましい。
【００２４】
また、黒鉛粉末は、黒鉛を含む粉末であり、混合粉末に黒鉛粉末を含むことで、焼結中にＣ（炭素）が拡散して鉄基焼結合金が固溶強化される。加えて、Ｃを適量含む鉄基焼結合金には、焼入、焼戻といった熱処理を施すことが可能であり、それによって鉄基焼結合金の機械的特性を向上させることができる。また、鉄基粉末にＣを予め含有させないのは、原料粉末の成形性やＣ量の調整の容易性等の理由からである。また、この黒鉛粉末に、銅などの金属粉末または合金粉末をさらに含んでもよい。黒鉛粉末は、平均粒径２５μｍ以下で、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、０．２〜５質量％含有することがより好ましい。黒鉛粉末の含有量が、５質量％を超えると延性が大幅に低下し、強度が低下することがある。
【００２５】
硬質粉末は、鉄基粉末の鉄粒子よりも硬質の硬質粒子からなる粉末である。鉄基焼結合金に、硬質粒子を分散させることにより、鉄基焼結合金の耐磨耗性を向上させることができる。その硬質粉末を構成する硬質粒子は、例えば、（１）質量％でＭｏ：２０〜７０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｍｎ：１〜１５％、残部が不可避不純物とＣｏからなる粒子、（２）質量％でＭｏ：２０〜７０％、Ｃ：０．５〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜２０％、残部が不可避不純物とＦｅからなる粒子、（３）質量％でＭｏ：２０〜６０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含み、残部が不可避不純物とＦｅからなる粒子、又は、（４）Ｍｏ：２０〜４０％、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｎｉ：５〜３０％、Ｍｎ：１〜１０％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｙ：０．０５〜２％、残部が不可避不純物とＦｅとからなる粒子などを挙げることができ、鉄粒子よりも硬質の硬質粒子であれば特に限定されるものではなく、これらの粒子に例えばＳｉなどをさらに含有していてもよい。また、硬質粉末は、平均粒径８０〜１２０μｍで、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、１０〜６０質量％含有することがより好ましい。
【００２６】
次に、金属フッ化物粉末（金属フッ化物の粒子からなる粉末）のうち、フッ化アルカリ土類金属粉末（フッ化アルカリ土類金属の粒子からなる粉末）として、フッ化ストロンチウム粉末（フッ化ストロンチウムの粒子からなる粉末）を準備する。これまで、焼結等冶金に用いられるフッ化ストロンチウム粉末などのフッ化アルカリ土類金属粉末は、一般的には、フッ化水素にアルカリ土類金属を溶かした溶液から、フッ化アルカリ土類金属粒子を析出させることにより製造されており、この粉末の粒子は、球状に近い粒子であった。しかしながら、本実施形態では、フッ化ストロンチウム（アルカリ土類金属）の結晶を固めたバルク材、または溶融して得られたバルク材を、ミル等により粉砕することにより、凹凸を有した粒子を製造する。
【００２７】
そして、粉末の粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）としたときに、フッ化ストロンチウムの粒子の凹凸度が、２〜５の範囲となるようにミルの粉砕部の形状、粉砕する荷重等の粉砕条件を選定し、フッ化ストロンチウムを製造した。なお、粒子の凹凸度は、１に近づくほど、粒子が球体に近づくものであり、フッ化ストロンチウム粒子を析出させる方法では、粒子の凹凸度は、限りなく１に近いものである。
【００２８】
このように、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度を、２〜５の範囲にしたので、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の形状は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い形状となる。これにより、焼結用鉄基混合粉末において、混合されるフッ化ストロンチウム粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）。そして、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となるフッ化ストロンチウムが鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【００２９】
また、フッ化ストロンチウム粉末は、前記焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることがより好ましく、その平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることがより好ましい。このような範囲とすることにより、切削抵抗を低減し刃具寿命をより向上させ、焼結合金の欠損をさらに抑制することができる。
【００３０】
焼結用鉄基混合粉末には、潤滑剤または結合材等をさらに添加してもよい。例えば、結合材として、焼結用鉄基混合粉末に、メチル系などのシリコーン樹脂がさらに添加されていてもよい。このシリコーン樹脂を、焼結用鉄基混合粉末に添加する際には、この樹脂を、有機溶剤にて希釈し、鉄粉とフッ化ストロンチウムを混合し、加熱・乾燥により余分な有機溶剤を除去することにより添加することが好ましく、焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、１質量％以下含まれていることがより好ましい。
【００３１】
シリコーン樹脂を添加することにより、混合粉とフッ化アルカリ土類金属の結合力を向上させることができる。また、シリコーン樹脂は、熱硬化性樹脂であるので、焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結する際に、シリコーン樹脂は軟化することなく、上述した結合力を保持することができる。また、温間金型潤滑法などにより、成形体を製造した場合であっても、耐熱性は、１５０℃以上あるので、上述した結合力を保持することができる。
【００３２】
また、潤滑剤としては、焼結用鉄基混合粉末に、熱可塑性樹脂粉末、ステアリン酸亜鉛、又は、ステアリン酸リチウム、さらに、ステアリン酸、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、ステアリン酸アミドとエチレンビスステアリン酸アミドとの溶融混合物、エチレンビスステアリン酸アミド、分子量１万以下のポリエチレン、およびエチレンビスステアリン酸アミドと分子量１万以下のポリエチレンとの溶融混合物を含有してもよい。
【実施例】
【００３３】
以下に本発明を実施例により説明する。
【００３４】
〔実施例１〕
鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末と、潤滑剤を混合してなる焼結用鉄基混合粉末を製造した。具体的には、鉄基粉末（Ｆｅ）−１．１質量％黒鉛粉末（Ｇｒ）−３０質量％硬質粉末−１質量％フッ化ストロンチウム粉末（ＳｒＦ２）＋０．８質量％潤滑剤（ＺｎＳｔ）を準備した。鉄基粉末は、還元法により製造された純鉄粉であり、鉄基粉末を構成する鉄基粒子は、平均粒径１００μｍの粉末である。硬質粉末は、ガスアトマイズ法により製造され、硬質粉末を構成する硬質粒子は、０．８質量％Ｃ−１．１質量％Ｓｉ−５．１質量％Ｍｎ−２１質量％Ｎｉ−６質量％Ｃｒ−３９質量％Ｍｏ−２２質量％Ｃｏ−４．５質量％Ｆｅ−０．２質量％Ｙからなる粒子であり、平均粒径１００μｍの粉末である。
【００３５】
さらに、フッ化ストロンチウム粉末は、フッ化ストロンチウム（アルカリ土類金属）の結晶を固めたバルク材を、ミル等により粉砕することにより製造される。この粉末の粒子は、凹凸を有した粒子であり、平均粒径５μｍの粒子である。また、粒子の凹凸度を、粉末の粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）で定義し、凹凸度が図３に示すように、２〜５の範囲となるように、ミルの回転速度等の粉砕条件を変えることにより製造した。
【００３６】
なお、凹凸度は、（１）粉末を拡大観察（電子顕微鏡にて写真撮影し、画像化）し、次に、（２）その画像を、画像ソフトで、真円度測定の前処理を行い（粉末を黒色、その他を白色の２値化処理を行い）（３）画像ソフトを用いて、その周囲長さを粒子の断面の周囲長さとし、その面積を断面における断面積として測定し、上述の式より、真円度測定（凹凸度）を実施した。ここでは、測定数は、任意の粒子をＮ＝１０回測定した。なお、図２の実施例１の凹凸度は、この測定数（Ｎ＝１０）における平均値であり、左から順次、２．２，２．６５，３．５，５．０であり、２〜５の範囲の凹凸度である。図１に、実施例の１つである凹凸度が、２．６５のフッ化ストロンチウム粒子の画像を示した。
【００３７】
これらの焼結用鉄基混合粉末をバルブシートに相当する形状の試験片を加圧条件７８４ＭＰａ，室温で加圧成形し、その後、１１２０℃で焼結し、鉄基焼結合金からなる試験片を得た。
【００３８】
本実施例における平均粒径の測定は、ふるい分け法により、具体的には、ＪＩＳ Ｚ８８０１−１に準拠する試験用ふるいを用い、ふるい通過した目の大きさによって粒子の大きさを求めた。具体的には、メッシュ径の異なる数種類のふるいでふるい、粒径分布は質量基準とし、各ふるいのふるい上の重量割合を算出することで求めた。
【００３９】
〔比較例１〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例と相違する点は、フッ化ストロンチウム粉末である。具体的には、比較例１のフッ化ストロンチウム粉末は、フッ化水素にフッ化ストロンチウムを溶かした溶液から、フッ化アルカリ土類金属粒子を析出させることにより得られた粉末であり、粒子の凹凸度が、１．０の粉末である。図１に、比較例１の凹凸度が、１．０のフッ化ストロンチウム粒子の画像を示した。
【００４０】
＜刃具摩耗量測定試験＞
送り速度：０．３ｍｍ，切込み：０．０８ｍｍ／ｒｅｖの条件で、刃具（材質：超硬）を用いて、実施例１及び比較例１の試験片に対して、３００パス相当分（１パスは、バルブシート一回分の切削長さに相当分）切削加工を行った。そして、光学顕微鏡により、刃具の逃げ面の最大摩耗深さを刃具摩耗量Ｖｂｍａｘとして測定した。この結果を、図２に示す。
【００４１】
［結果１及びその考察］
実施例１の刃具摩耗量は、比較例１のものに比べて少なかった。これは、凹凸度２〜５の粒子からなるフッ化ストロンチウム粉末は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い（からみ易い）形状であり、焼結用鉄基混合粉末において、混合されるフッ化ストロンチウム粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）と考えられる。この結果、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となるフッ化ストロンチウム粉末が鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗は低減し、刃具摩耗量が少なかったものと考えられる。
【００４２】
〔実施例２〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、粒子の凹凸度が、２．７５（Ｎ＝１０、粒子の凹凸度平均値：２．７５，最小値：２．１８，最大値：３．２１）の粉末を製造した点である。
【００４３】
＜顕微鏡観察＞
実施例２の試験片を切り出して、その断面を電子顕微鏡観察により観察した。この結果を図３に示す。
【００４４】
＜各成分を測定＞
実施例２の試験片のＳｒとＦの含有量（添加量）をＸ線原子吸光分析により測定した。この結果を表１に示す。なお、表１に示す値のうち、理論値は、添加した１質量％のフッ化ストロンチウム粉末におけるＳｒとＦの割合（質量％）を示し、分析値は、上記測定におけるＳｒとＦの割合（質量％）であり、分析値の（）内の値は、分析値／理論値の値を示している。
【００４５】
【表１】
【００４６】
［結果２及びその考察］
図３に示すように、鉄基地及び硬質粒子の粒界には、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）が分散していた。また、表１に示すように、焼結後も、フッ化ストロンチウムは、８５％以上残存していた。このような結果から、分散したフッ化ストロンチウムにより、鉄基焼結合金の被削性が飛躍的に向上すると推定される。
【００４７】
〔実施例３〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度が、２．７の粉末を製造し、添加するフッ化ストロンチウム粉末の量を、図４に示すように、０．５質量％〜５．０質量％にした点である。なお、フッ化ストロンチウム粉末の平均粒径は、すべて５μｍである。
【００４８】
〔比較例２〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、焼結用鉄基混合粉末にフッ化ストロンチウム粉末を添加しなかった点である。
【００４９】
＜刃具摩耗試験＞
実施例３及び比較例２の試験片に対して、実施例１と同じように、刃具摩耗試験を行った。また、そのときに、切削抵抗測定法を用いて、切削工具固定部に取り付けた動力計で、切削抵抗を測定した。図４（ａ）に、刃具の摩耗量を、図４（ｂ）に、切削抵抗を示す。
【００５０】
＜ラトラ値測定試験＞
実施例３及び比較例２の試験片に対して、日本粉末冶金工業会規格 ＪＰＭＡ Ｐ １１−１９９２に示す金属圧粉体のラトラ値測定方法に従って、試験片の欠け性（欠損性）を示す指標として、ラトラ値を測定した。この結果を図４（ｃ）に示す。なお、ラトラ値が大きいほど、試験片の欠け性が高いことを示す。
【００５１】
［結果３及びその考察］
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例３は、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）を含むことにより、比較例２に比べて、刃具摩耗量は少なく、切削抵抗も小さかった。また、図４（ｃ）に示すように、実施例３のうち、添加量が５質量％の試験片のラトラ値が、２０％を超え、他のものに比べて大きくなった。この結果から、フッ化ストロンチウムによる鉄基焼結合金の切削性を向上させるためには、フッ化ストロンチウムを０．５質量％以上添加していることがより好ましく、さらに、鉄基焼結合金の欠損性を低減するには、フッ化ストロンチウムを好ましくは、３．０質量％以下、さらに好ましくは、１．５質量％以下添加することがよい。
【００５２】
〔実施例４〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、フッ化ストロンチウム粒子の凹凸度を、２．７の粉末を製造し、この粉末の粒子の粒径を、図５に示す平均粒径１〜１００μの範囲の粒径にした点である。なお、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの粒子は、粒径を変化させる方法として、水のり（ＰＶＰ）を利用して造粒した。その他の粒子は、ふるいにより分級することにより、所定の粒径に選別した。なお、添加するフッ化ストロンチウム粉末の添加量は、１．０質量％である。
【００５３】
＜刃具摩耗試験及びラトラ試験＞
実施例４の試験片に対して、実施例３と同じように、刃具摩耗試験及びラトラ試験を行った。図５（ａ）に刃具の摩耗量を示し、図５（ｂ）に切削抵抗を示し、図５（ｃ）にラトラ値を示す。なお、図５（ａ）〜（ｃ）には、比較例２の結果も合わせて示した。
【００５４】
［結果３及びその考察］
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例４は、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）を含むことにより、比較例２に比べて、刃具摩耗量は少なく、切削抵抗も小さかった。また、図５（ａ）に示すように、実施例４の粉末の平均粒径が大きくなるに従って刃具摩耗量は増加した。図５（ｂ）に示すように、平均粒径が、５０μｍ、１００μｍと増加するにしたがって、切削抵抗は上昇した。また、図５（ｃ）に示すように、平均粒径が、５０μｍ、１００μｍと増加するにしたがって、ラトラ値は上昇した。これは、フッ化アルカリ粉末（の粒子）の平均粒径が２０μｍを超えた場合には、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなり、これにより切削抵抗が上昇したものと考えられる。また、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなったことにより、焼結合金が欠損し易くなったと考えられる。
【００５５】
また、フッ化ストロンチウム粉末（の粒子）の平均粒径が５μｍ以下の場合は、フッ化ストロンチウムが、焼結時において固体潤滑剤として寄与する割合度が大きいと考えられる。また、ある程度、フッ化ストロンチウム粉末の平均粒径が大きくなる（２０μｍを超える）に従って、固体潤滑剤としてではなく、鉄粉同士のからみを阻害すると考えられる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態及び実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５７】
本実施例では、顕微鏡で観察した粒子の投影図の画像を利用して、粒子の断面（最大断面）の周囲長さ、この断面における断面積を測定したが、例えば、直接的に周囲長さ及び断面を測定することにより、凹凸度を測定することができるのであれば、この方法に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
高温の使用環境下となる、圧縮天然ガスやガソリンを燃料とするエンジンのバルブ系（例えばバルブシート、バルブガイド）に好適に用いることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末とを少なくとも含む焼結用鉄基混合粉末において、特に、焼結用鉄基混合粉末から焼結した鉄基焼結合金の切削性に優れた焼結用鉄基混合粉末に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、混合した焼結用鉄基混合粉末が用いられることがある。この焼結用鉄基混合粉末を金型に充填したのち、加圧成形して成形体を製造し、該成形体を焼結することにより、鉄基焼結合金を得ることができる。焼結時には、黒鉛粉末の炭素は、焼結時に鉄基粉末に固溶するので、鉄基粉末は硬質化する。そして、この硬質化した鉄基粉末の鉄を基地として、硬質粉末が鉄基焼結合金に分散することになる。
【０００３】
このように焼結処理が施された鉄基焼結合金は、必要に応じ切削加工されて、製品とされる。しかしながら、このような鉄基焼結合金は、その内部は多孔質状であり、溶解により得られる金属合金に比べて、切削抵抗が高い。そのため、従来から、快削成分として、ＢａＳ，ＣａＳ，ＭｎＳなどのＳを含む粉末をさらに混合粉末に添加してきた。
【０００４】
しかしながら、Ｓを含む粉末を用いた場合、焼結時において、Ｈ２Ｓ，ＳＯＸなどのガスが発生するおそれがあり、Ｓの歩留まりが低下してしまい、充分な切削性改善の効果が得られないことがある。
【０００５】
そこで、このような点を鑑みて、例えば、Ｓを含む粉末の代わりに、フッ化アルカリ土類金属粉末などの金属フッ化物粉末を混合した焼結用鉄基混合粉末が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この焼結用鉄基混合粉末を用いて焼結された鉄基焼結合金は、金属フッ化物粉末が鉄基粉末の凹部に固着することにより、その切削性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１５５３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、焼結用鉄基混合粉末の他の粉末と混合したときに、金属フッ化物粉末の粒子が凝集してしまうことがあった。これにより、金属フッ化物粉末の粒子が凝集した鉄基焼結合金を切削した場合、この金属フッ化物粉末が充分に快削成分として作用せず、刃具の切削抵抗が上昇し、刃具の寿命低下を招くおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる焼結用鉄基混合粉末およびこれを用いた鉄基焼結合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者は、前記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、焼結用鉄基混合粉末に金属フッ化物の粉末を混合する際に、金属フッ化物の粒子を、焼結用鉄基混合粉末内において、分散させることが好ましいと考えた。そして、金属フッ化物の粒子を好適に分散させるためには、この粒子の形状が重要であり、粒子の形状が球状に近づけば近づくほど、その粒子は凝集し易く、これとは逆に、その形状が球状から異なる形状（凹凸を有した形状になる）になればなるほど、その粒子は、焼結用鉄基混合粉末内において分散し易いとの新たな知見を得た。
【００１０】
本発明は、発明者らによるこの新たな知見に基づくものであり、本発明に係る焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、以下の式に示す粒子の凹凸度において、
粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）
前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあるので、金属フッ化物粉末の粒子の形状は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い（からみ易い）形状となる。これにより、焼結用鉄基混合粉末において、混合される金属フッ化物粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）。そして、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となる金属フッ化物が鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【００１２】
すなわち、金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２未満の場合には、金属フッ化物粉末の粒子は混合時に凝集し易く、金属フッ化物粉末の粒子の粒度が、５を超える粒子は製造し難い。
【００１３】
ここで、本発明にいう「粒子の凹凸度」とは、粒子の凹凸形状を示す指標であり、粒子が球体（粒子の断面が真円）に近いほど、粒子の凹凸度は、１に近づくことを意味するものである。また、「粒子の断面の周囲長さ」とは、粒子（フッ化アルカリ土類粉末の粒子）のある断面における粒子の断面の周囲の長さであり、「断面における断面積」とは、前述した周囲の長さで測定された断面における断面積のことをいう。また、本発明にいう「鉄基」とは、鉄を主材（基地）とした材料のことをいう。
【００１４】
また、金属フッ化物粉末としては、フッ化カリウム、フッ化ナトリウム、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、フッ化バリウム、フッ化鉛、フッ化セレン、フッ化テルルなどを挙げることができ、好ましくは、金属フッ化物粉末が、フッ化アルカリ土類金属粉末であり、さらにより好ましくは、フッ化アルカリ土類金属粉末は、フッ化ストロンチウム粉末である。
【００１５】
本発明によれば、フッ化アルカリ土類金属粉末は、焼結体を脆化させることなく、鉄基地に固溶及びガス化により消滅することなく分散される。さらに、これらのうちでも、フッ化ストロンチウム粉末は、他の金属フッ化物粉末（フッ化バリウム、フッ化鉛など）と比較し密度が４．２４と低く、同添加量（同じ質量％）のフッ化物を添加した場合、他のものと比べて最も体積が大きくなると考えられる。そのため、鉄基粉末及び硬質粉末などの他粉末への接触するフッ化ストロンチウムの量が増え、これらの粉末とのからみが良好になると考えられる。これにより、得られた鉄基焼結合金の切削性は、他の金属フッ化物を用いたものよりも、向上すると考えられる。
【００１６】
また、より好ましくは、前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、前記焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることがより好ましい。本発明によれば、フッ化アルカリ土類金属粉末を添加することにより、切削抵抗を低減し、刃具寿命を向上させ、さらには焼結合金の欠損を抑制することができる。すなわち、フッ化アルカリ土類金属粉末の含有量が、０．５質量％未満の場合には、得られた鉄基焼結合金の切削性を向上させることができないことがあり、３質量％を超えた場合には、フッ化アルカリ金属粉末が過多となり、焼結合金が欠損し易くなる。
【００１７】
また、前記含有量において、前記フッ化アルカリ土類金属粉末の粒子の平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることがより好ましい。このような範囲とすることにより、切削抵抗を低減し刃具寿命をより向上させ、焼結合金の欠損をさらに抑制することができる。すなわち、フッ化アルカリ粉末（の粒子）の平均粒径が２０μｍを超えた場合には、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなる。これにより切削抵抗が上昇し、刃具寿命が低下するおそれがあり、得られる焼結合金が欠損し易くなる。
【００１８】
前記焼結用鉄基混合粉末には、潤滑剤または結合材等をさらに添加してもよいが、より好ましくは、結合材として、シリコーン樹脂がさらに添加されている。本発明によれば、シリコーン樹脂を添加することにより、混合粉とフッ化アルカリ土類金属の結合力を向上させることができる。また、シリコーン樹脂は、熱硬化性樹脂であるので、焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結する際に、シリコーン樹脂は軟化することなく、上述した結合力を保持することができる。また、温間金型潤滑法などにより、成形体を製造した場合であっても、上述した結合力を保持することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、金属フッ化物粉末を用いた場合であっても、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１及び比較例１に係るフッ化物粉末（フッ化ストロンチウム粉末の粒子）の投影図と、粒子の凹凸度を示した図。
【図２】実施例１及び比較例１に係るフッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度と、刃具摩耗量との関係を示した図。
【図３】実施例２に係る試験片の金属組織の拡大写真図。
【図４】実施例３及び比較例２に係る試験結果を示す図であり、（ａ）は刃具摩耗量を示し、（ｂ）は切削抵抗を示し、（ｃ）はラトラ値を示した図。
【図５】実施例４及び比較例２に係る試験結果を示す図であり、（ａ）は刃具摩耗量を示し、（ｂ）は切削抵抗を示し、（ｃ）はラトラ値を示した図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態を以下に説明する。本実施形態に係る混合粉末は、内燃機関（エンジン）のバルブシートなどを焼結により製造するための焼結用鉄基混合粉末であり、この焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、成形体をさらに焼結することにより、鉄基焼結合金を得ることができる。
【００２２】
本実施形態に係る焼結用鉄基混合粉末は、鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる混合粉末である。
【００２３】
鉄基粉末は、鉄元素を主成分とした粒子からなる粉末であり、アトマイズ鉄粉末、還元粉等の純鉄粉末、合金元素を予め合金した鋼粉末（予合金鋼粉末）、あるいは合金元素が部分合金化された鋼粉末（部分合金化鋼粉末）などである。また、これらの粉末を混合した粉末であってもよい。鉄基粉末は、鉄基焼結合金の基地を構成するものである。また、鉄基粉末は、平均粒径８０〜１００μｍで、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、４０〜９０質量％含有することがより好ましい。
【００２４】
また、黒鉛粉末は、黒鉛を含む粉末であり、混合粉末に黒鉛粉末を含むことで、焼結中にＣ（炭素）が拡散して鉄基焼結合金が固溶強化される。加えて、Ｃを適量含む鉄基焼結合金には、焼入、焼戻といった熱処理を施すことが可能であり、それによって鉄基焼結合金の機械的特性を向上させることができる。また、鉄基粉末にＣを予め含有させないのは、原料粉末の成形性やＣ量の調整の容易性等の理由からである。また、この黒鉛粉末に、銅などの金属粉末または合金粉末をさらに含んでもよい。黒鉛粉末は、平均粒径２５μｍ以下で、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、０．２〜５質量％含有することがより好ましい。黒鉛粉末の含有量が、５質量％を超えると延性が大幅に低下し、強度が低下することがある。
【００２５】
硬質粉末は、鉄基粉末の鉄粒子よりも硬質の硬質粒子からなる粉末である。鉄基焼結合金に、硬質粒子を分散させることにより、鉄基焼結合金の耐磨耗性を向上させることができる。その硬質粉末を構成する硬質粒子は、例えば、（１）質量％でＭｏ：２０〜７０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｍｎ：１〜１５％、残部が不可避不純物とＣｏからなる粒子、（２）質量％でＭｏ：２０〜７０％、Ｃ：０．５〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜２０％、残部が不可避不純物とＦｅからなる粒子、（３）質量％でＭｏ：２０〜６０％、Ｃ：０．２〜３％、Ｎｉ：５〜４０％、Ｍｎ：１〜１５％、Ｃｒ：０．１〜１０％を含み、残部が不可避不純物とＦｅからなる粒子、又は、（４）Ｍｏ：２０〜４０％、Ｃ：０．５〜１．０％、Ｎｉ：５〜３０％、Ｍｎ：１〜１０％、Ｃｒ：１〜１０％、Ｃｏ：５〜３０％、Ｙ：０．０５〜２％、残部が不可避不純物とＦｅとからなる粒子などを挙げることができ、鉄粒子よりも硬質の硬質粒子であれば特に限定されるものではなく、これらの粒子に例えばＳｉなどをさらに含有していてもよい。また、硬質粉末は、平均粒径８０〜１２０μｍで、焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、１０〜６０質量％含有することがより好ましい。
【００２６】
次に、金属フッ化物粉末（金属フッ化物の粒子からなる粉末）のうち、フッ化アルカリ土類金属粉末（フッ化アルカリ土類金属の粒子からなる粉末）として、フッ化ストロンチウム粉末（フッ化ストロンチウムの粒子からなる粉末）を準備する。これまで、焼結等冶金に用いられるフッ化ストロンチウム粉末などのフッ化アルカリ土類金属粉末は、一般的には、フッ化水素にアルカリ土類金属を溶かした溶液から、フッ化アルカリ土類金属粒子を析出させることにより製造されており、この粉末の粒子は、球状に近い粒子であった。しかしながら、本実施形態では、フッ化ストロンチウム（アルカリ土類金属）の結晶を固めたバルク材、または溶融して得られたバルク材を、ミル等により粉砕することにより、凹凸を有した粒子を製造する。
【００２７】
そして、粉末の粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）としたときに、フッ化ストロンチウムの粒子の凹凸度が、２〜５の範囲となるようにミルの粉砕部の形状、粉砕する荷重等の粉砕条件を選定し、フッ化ストロンチウムを製造した。なお、粒子の凹凸度は、１に近づくほど、粒子が球体に近づくものであり、フッ化ストロンチウム粒子を析出させる方法では、粒子の凹凸度は、限りなく１に近いものである。
【００２８】
このように、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度を、２〜５の範囲にしたので、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の形状は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い形状となる。これにより、焼結用鉄基混合粉末において、混合されるフッ化ストロンチウム粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）。そして、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となるフッ化ストロンチウムが鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗を低減し、刃具寿命の低下を抑制することができる。
【００２９】
また、フッ化ストロンチウム粉末は、前記焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることがより好ましく、その平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることがより好ましい。このような範囲とすることにより、切削抵抗を低減し刃具寿命をより向上させ、焼結合金の欠損をさらに抑制することができる。
【００３０】
焼結用鉄基混合粉末には、潤滑剤または結合材等をさらに添加してもよい。例えば、結合材として、焼結用鉄基混合粉末に、メチル系などのシリコーン樹脂がさらに添加されていてもよい。このシリコーン樹脂を、焼結用鉄基混合粉末に添加する際には、この樹脂を、有機溶剤にて希釈し、鉄粉とフッ化ストロンチウムを混合し、加熱・乾燥により余分な有機溶剤を除去することにより添加することが好ましく、焼結用鉄基合金粉末の総量に対して、１質量％以下含まれていることがより好ましい。
【００３１】
シリコーン樹脂を添加することにより、混合粉とフッ化アルカリ土類金属の結合力を向上させることができる。また、シリコーン樹脂は、熱硬化性樹脂であるので、焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結する際に、シリコーン樹脂は軟化することなく、上述した結合力を保持することができる。また、温間金型潤滑法などにより、成形体を製造した場合であっても、耐熱性は、１５０℃以上あるので、上述した結合力を保持することができる。
【００３２】
また、潤滑剤としては、焼結用鉄基混合粉末に、熱可塑性樹脂粉末、ステアリン酸亜鉛、又は、ステアリン酸リチウム、さらに、ステアリン酸、オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド、ステアリン酸アミドとエチレンビスステアリン酸アミドとの溶融混合物、エチレンビスステアリン酸アミド、分子量１万以下のポリエチレン、およびエチレンビスステアリン酸アミドと分子量１万以下のポリエチレンとの溶融混合物を含有してもよい。
【実施例】
【００３３】
以下に本発明を実施例により説明する。
【００３４】
〔実施例１〕
鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末と、潤滑剤を混合してなる焼結用鉄基混合粉末を製造した。具体的には、鉄基粉末（Ｆｅ）−１．１質量％黒鉛粉末（Ｇｒ）−３０質量％硬質粉末−１質量％フッ化ストロンチウム粉末（ＳｒＦ２）＋０．８質量％潤滑剤（ＺｎＳｔ）を準備した。鉄基粉末は、還元法により製造された純鉄粉であり、鉄基粉末を構成する鉄基粒子は、平均粒径１００μｍの粉末である。硬質粉末は、ガスアトマイズ法により製造され、硬質粉末を構成する硬質粒子は、０．８質量％Ｃ−１．１質量％Ｓｉ−５．１質量％Ｍｎ−２１質量％Ｎｉ−６質量％Ｃｒ−３９質量％Ｍｏ−２２質量％Ｃｏ−４．５質量％Ｆｅ−０．２質量％Ｙからなる粒子であり、平均粒径１００μｍの粉末である。
【００３５】
さらに、フッ化ストロンチウム粉末は、フッ化ストロンチウム（アルカリ土類金属）の結晶を固めたバルク材を、ミル等により粉砕することにより製造される。この粉末の粒子は、凹凸を有した粒子であり、平均粒径５μｍの粒子である。また、粒子の凹凸度を、粉末の粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）で定義し、凹凸度が図３に示すように、２〜５の範囲となるように、ミルの回転速度等の粉砕条件を変えることにより製造した。
【００３６】
なお、凹凸度は、（１）粉末を拡大観察（電子顕微鏡にて写真撮影し、画像化）し、次に、（２）その画像を、画像ソフトで、真円度測定の前処理を行い（粉末を黒色、その他を白色の２値化処理を行い）（３）画像ソフトを用いて、その周囲長さを粒子の断面の周囲長さとし、その面積を断面における断面積として測定し、上述の式より、真円度測定（凹凸度）を実施した。ここでは、測定数は、任意の粒子をＮ＝１０回測定した。なお、図２の実施例１の凹凸度は、この測定数（Ｎ＝１０）における平均値であり、左から順次、２．２，２．６５，３．５，５．０であり、２〜５の範囲の凹凸度である。図１に、実施例の１つである凹凸度が、２．６５のフッ化ストロンチウム粒子の画像を示した。
【００３７】
これらの焼結用鉄基混合粉末をバルブシートに相当する形状の試験片を加圧条件７８４ＭＰａ，室温で加圧成形し、その後、１１２０℃で焼結し、鉄基焼結合金からなる試験片を得た。
【００３８】
本実施例における平均粒径の測定は、ふるい分け法により、具体的には、ＪＩＳ Ｚ８８０１−１に準拠する試験用ふるいを用い、ふるい通過した目の大きさによって粒子の大きさを求めた。具体的には、メッシュ径の異なる数種類のふるいでふるい、粒径分布は質量基準とし、各ふるいのふるい上の重量割合を算出することで求めた。
【００３９】
〔比較例１〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例と相違する点は、フッ化ストロンチウム粉末である。具体的には、比較例１のフッ化ストロンチウム粉末は、フッ化水素にフッ化ストロンチウムを溶かした溶液から、フッ化アルカリ土類金属粒子を析出させることにより得られた粉末であり、粒子の凹凸度が、１．０の粉末である。図１に、比較例１の凹凸度が、１．０のフッ化ストロンチウム粒子の画像を示した。
【００４０】
＜刃具摩耗量測定試験＞
送り速度：０．３ｍｍ，切込み：０．０８ｍｍ／ｒｅｖの条件で、刃具（材質：超硬）を用いて、実施例１及び比較例１の試験片に対して、３００パス相当分（１パスは、バルブシート一回分の切削長さに相当分）切削加工を行った。そして、光学顕微鏡により、刃具の逃げ面の最大摩耗深さを刃具摩耗量Ｖｂｍａｘとして測定した。この結果を、図２に示す。
【００４１】
［結果１及びその考察］
実施例１の刃具摩耗量は、比較例１のものに比べて少なかった。これは、凹凸度２〜５の粒子からなるフッ化ストロンチウム粉末は、鉄基粒子及び硬質粒子に付着し易い（からみ易い）形状であり、焼結用鉄基混合粉末において、混合されるフッ化ストロンチウム粉末の粒子は、分散し易くなる（凝集し難くなる）と考えられる。この結果、この焼結用鉄基混合粉末により焼結された鉄基焼結合金には、快削成分となるフッ化ストロンチウム粉末が鉄基粒子及び硬質粒子に分散しているので、鉄基焼結合金の切削抵抗は低減し、刃具摩耗量が少なかったものと考えられる。
【００４２】
〔実施例２〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、粒子の凹凸度が、２．７５（Ｎ＝１０、粒子の凹凸度平均値：２．７５，最小値：２．１８，最大値：３．２１）の粉末を製造した点である。
【００４３】
＜顕微鏡観察＞
実施例２の試験片を切り出して、その断面を電子顕微鏡観察により観察した。この結果を図３に示す。
【００４４】
＜各成分を測定＞
実施例２の試験片のＳｒとＦの含有量（添加量）をＸ線原子吸光分析により測定した。この結果を表１に示す。なお、表１に示す値のうち、理論値は、添加した１質量％のフッ化ストロンチウム粉末におけるＳｒとＦの割合（質量％）を示し、分析値は、上記測定におけるＳｒとＦの割合（質量％）であり、分析値の（）内の値は、分析値／理論値の値を示している。
【００４５】
【表１】
【００４６】
［結果２及びその考察］
図３に示すように、鉄基地及び硬質粒子の粒界には、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）が分散していた。また、表１に示すように、焼結後も、フッ化ストロンチウムは、８５％以上残存していた。このような結果から、分散したフッ化ストロンチウムにより、鉄基焼結合金の被削性が飛躍的に向上すると推定される。
【００４７】
〔実施例３〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、フッ化ストロンチウム粉末の粒子の凹凸度が、２．７の粉末を製造し、添加するフッ化ストロンチウム粉末の量を、図４に示すように、０．５質量％〜５．０質量％にした点である。なお、フッ化ストロンチウム粉末の平均粒径は、すべて５μｍである。
【００４８】
〔比較例２〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、焼結用鉄基混合粉末にフッ化ストロンチウム粉末を添加しなかった点である。
【００４９】
＜刃具摩耗試験＞
実施例３及び比較例２の試験片に対して、実施例１と同じように、刃具摩耗試験を行った。また、そのときに、切削抵抗測定法を用いて、切削工具固定部に取り付けた動力計で、切削抵抗を測定した。図４（ａ）に、刃具の摩耗量を、図４（ｂ）に、切削抵抗を示す。
【００５０】
＜ラトラ値測定試験＞
実施例３及び比較例２の試験片に対して、日本粉末冶金工業会規格 ＪＰＭＡ Ｐ １１−１９９２に示す金属圧粉体のラトラ値測定方法に従って、試験片の欠け性（欠損性）を示す指標として、ラトラ値を測定した。この結果を図４（ｃ）に示す。なお、ラトラ値が大きいほど、試験片の欠け性が高いことを示す。
【００５１】
［結果３及びその考察］
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例３は、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）を含むことにより、比較例２に比べて、刃具摩耗量は少なく、切削抵抗も小さかった。また、図４（ｃ）に示すように、実施例３のうち、添加量が５質量％の試験片のラトラ値が、２０％を超え、他のものに比べて大きくなった。この結果から、フッ化ストロンチウムによる鉄基焼結合金の切削性を向上させるためには、フッ化ストロンチウムを０．５質量％以上添加していることがより好ましく、さらに、鉄基焼結合金の欠損性を低減するには、フッ化ストロンチウムを好ましくは、３．０質量％以下、さらに好ましくは、１．５質量％以下添加することがよい。
【００５２】
〔実施例４〕
実施例１と同じようにして、鉄基焼結合金からなる試験片を製造した。実施例１と相違する点は、粉砕条件を変更することにより、フッ化ストロンチウム粒子の凹凸度を、２．７の粉末を製造し、この粉末の粒子の粒径を、図５に示す平均粒径１〜１００μの範囲の粒径にした点である。なお、平均粒径５０μｍ〜１００μｍの粒子は、粒径を変化させる方法として、水のり（ＰＶＰ）を利用して造粒した。その他の粒子は、ふるいにより分級することにより、所定の粒径に選別した。なお、添加するフッ化ストロンチウム粉末の添加量は、１．０質量％である。
【００５３】
＜刃具摩耗試験及びラトラ試験＞
実施例４の試験片に対して、実施例３と同じように、刃具摩耗試験及びラトラ試験を行った。図５（ａ）に刃具の摩耗量を示し、図５（ｂ）に切削抵抗を示し、図５（ｃ）にラトラ値を示す。なお、図５（ａ）〜（ｃ）には、比較例２の結果も合わせて示した。
【００５４】
［結果３及びその考察］
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例４は、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）を含むことにより、比較例２に比べて、刃具摩耗量は少なく、切削抵抗も小さかった。また、図５（ａ）に示すように、実施例４の粉末の平均粒径が大きくなるに従って刃具摩耗量は増加した。図５（ｂ）に示すように、平均粒径が、５０μｍ、１００μｍと増加するにしたがって、切削抵抗は上昇した。また、図５（ｃ）に示すように、平均粒径が、５０μｍ、１００μｍと増加するにしたがって、ラトラ値は上昇した。これは、フッ化アルカリ粉末（の粒子）の平均粒径が２０μｍを超えた場合には、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなり、これにより切削抵抗が上昇したものと考えられる。また、フッ化アルカリ土類金属が、鉄基焼結合金の粒界に分散し難くなったことにより、焼結合金が欠損し易くなったと考えられる。
【００５５】
また、フッ化ストロンチウム粉末（の粒子）の平均粒径が５μｍ以下の場合は、フッ化ストロンチウムが、焼結時において固体潤滑剤として寄与する割合度が大きいと考えられる。また、ある程度、フッ化ストロンチウム粉末の平均粒径が大きくなる（２０μｍを超える）に従って、固体潤滑剤としてではなく、鉄粉同士のからみを阻害すると考えられる。
【００５６】
以上、本発明の実施形態及び実施例について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００５７】
本実施例では、顕微鏡で観察した粒子の投影図の画像を利用して、粒子の断面（最大断面）の周囲長さ、この断面における断面積を測定したが、例えば、直接的に周囲長さ及び断面を測定することにより、凹凸度を測定することができるのであれば、この方法に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
高温の使用環境下となる、圧縮天然ガスやガソリンを燃料とするエンジンのバルブ系（例えばバルブシート、バルブガイド）に好適に用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、
以下の式に示す粒子の凹凸度において、
粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）
前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあることを特徴とする焼結用鉄基混合粉末。
【請求項２】
前記金属フッ化物粉末は、フッ化アルカリ土類金属粉末であることを特徴とする請求項１に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項３】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、フッ化ストロンチウム粉末であることを特徴とする請求項２に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項４】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、前記焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることを特徴とする請求項２又は３に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項５】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末の平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項６】
前記焼結用鉄基混合粉末には、シリコーン樹脂がさらに添加されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結した鉄基焼結合金。
【請求項１】
鉄基粉末と、黒鉛粉末と、鉄基粉末よりも硬質の硬質粉末と、金属フッ化物粉末とを混合してなる焼結用鉄基混合粉末であって、
以下の式に示す粒子の凹凸度において、
粒子の凹凸度＝（粒子の断面の周囲長さ）２／（前記断面における断面積×４π）
前記金属フッ化物粉末の粒子の凹凸度が、２〜５の範囲にあることを特徴とする焼結用鉄基混合粉末。
【請求項２】
前記金属フッ化物粉末は、フッ化アルカリ土類金属粉末であることを特徴とする請求項１に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項３】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、フッ化ストロンチウム粉末であることを特徴とする請求項２に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項４】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末は、前記焼結用鉄基混合粉末の総量に対して、０．５〜３質量％含まれていることを特徴とする請求項２又は３に記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項５】
前記フッ化アルカリ土類金属粉末の平均粒径は、１〜２０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項６】
前記焼結用鉄基混合粉末には、シリコーン樹脂がさらに添加されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の焼結用鉄基混合粉末を加圧成形して成形体を製造し、該成形体をさらに焼結した鉄基焼結合金。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−５２１６７（Ｐ２０１２−５２１６７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９４１１６（Ｐ２０１０−１９４１１６）
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２２０４３５）株式会社ファインシンター (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３１日（２０１０．８．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００２２０４３５）株式会社ファインシンター (27)
【Ｆターム（参考）】
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